（自然地理学专业论文）广州市地面沉降危险性评价研究.pdf

捅璺 摘要 地面沉降是沿海城市最主要的地质灾害之一，严重制约着城市的可持 续发展。广州市地处珠江三角洲腹心地区，第四纪疏松沉积物广布、地下 岩溶孔洞发育、断裂活动明显、人类活动剧烈，地面沉降现已发生且渐趋 严重。 文章根据自然灾害学理论，研讨了地面沉降成灾机制，分析了广州市 地面沉降的孕灾环境、致灾因子和承灾体特征。广州市地面沉降灾害具有 隐伏性、区域性、社会性、灾损严重性等特点，主要分布在老城区，特别 是荔湾区、天河区、广州火车站到广州东站一带。广州市地面沉降的形成 既有自然因素的作用，也有人类活动的影响，其中人类活动是最主要的致 灾因子，主要表现在过量抽取地下水和大量工程建设活动。 文章选取地壳稳定性、第四纪地质条件和人类活动三大要素作为指标 体系的条件层，进一步筛选出断裂构造、地壳稳定性、地壳运动速率、第 四纪覆盖层岩性、厚度、地下水类型、基岩岩性、人类活动强度、工程活 动强度九个因子作为指标层，构成广州市地面沉降危险性评价的指标体 系。根据基础图件、地质资料和野外考察所提供的信息源，借助g i s 技术 提取相关数据信息，建立了广州市地面沉降危险性评价的基础信息数据 库。在指标量化与权重确定后，采用模糊数学层次分析法构建了广州市地 面沉降危险性评价数学模型，并据此计算得到研究区地面沉降的五个危险 性等级，极不稳定级主要分布在珠江沿岸，以及珠江环绕地区：不稳定级 主要分布在广从断裂北段；次不稳定级和基本稳定级主要分布在研究区西 部和东部部分地区；稳定级分布在研究区东部和北部的外围地区，五个级 别地面沉降发生的危险性递减。 关键词：地面沉降；成灾机制；危险性评价；广州市 a b s t r a c t l a n ds u b s i d e n c ei so n eo ft h em o s ts e r i o u s g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，w h i c hw i l l h a m p e r t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f c i t i e sa l o n gs e a ， g u a n g z h o u i sl o c a t e di np e a r lr i v e rd e l t a ，l a n ds u b s i d e n c eh a sb e e na p p e a r a n c e a n dw i l lb em o r es e r i o u s c o m p l e xg e o l o g ye n v i r o n m e n ta n do b v i o u sf a u l ts t r u c t u r e a n dd r a s t i ch u m a n a c t i v i t yl e a d t ot h i st r e n d t h i sp a p e rh a ss t u d i e dl a n ds u b s i d e n c eo nt h eb a s i so fn a t u r a ld i s a s t e rs c i e n c e ， a n da n a l y z e dt h eb a s i cc h a r a c t e r so fe n v i r o n m e n t ，h a z a r d sa n dd i s a s t e rb o d i e so f g u a n g z h o u ，a n ds u m m a r i z e d t h ec h a r a c t e r sa n dd i s t r i b u t i o nr u l e so fl a n ds u b s i d e n c e l a n ds u b s i d e n c ei ng u a n g z h o uh a ss o m ec h a r a c t e r ss u c ha sc o v e r e da n d r e g i o n a l a n ds o c i a l i t ya n dl o s s ，l a n ds u b s i d e n c eo c c u r r e di nt i a n h em a dl i w a na n df r o m r a i l w a ys t a t i o n t oe a s ts t a t i o n t h ef o r m a t i o no fl a n ds u b s i d e n c er e s u l ti ne i t h e r n a t u r a lr e a s o no rh u m a n a c t i v i t i e s ，t h el a t t e ri n c l u d ed r a w i n ge x c e s sg r o u n d w a t e ra n d d r a s t i ce n g i n e e rb u i l da c t i v i t i e s ，i ti st h em o s ti m p o r t a n th a z a r d s p a p e rc h o o s el i t h o s p h e r es t a b i l i t ya n d t h eq u a t e r n a r yg e o l o g ya n dh u m a n a c t i v i t y a st h r e eb a s i cc o n d i t i o n l a y e r s ，a n d f i l t e r e dn i n ei n d e x e st ob u i l df a t a l n e s s a p p r a i s e m e n ti n d e xs y s t e m ，t h e ya r ef a u l ta n dl i t h o s p h e r es t a b i l i t ya n dl i t h o s p h e r e m o v e m e n t v e l o c i t y a n dt h e q u a t e r n a r y s e d i m e n t l i t h o l o g y a n dt h i c k n e s sa n d g r o u n d w a t e rt y p ea n dr o c kl i t h o l o g ya n dh u m a na c t i v i t yi n t e n s i t y a n de n g i n e e r i n t e n s i t y p a p e r b u i l tt h eb a s a ld a t a b a s eo fl a n ds u b s i d e n c ef a t a l n e s sa p p r a i s e m e n tb a s e do n t h eb a s i cm a p sa n dg e o l o g i c a lm a t e r i a l sa n di n f o r m a t i o nf r o mf i e l d p a p e ra p p l i e d f u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s t ob u i l tl a n ds u b s i d e n c ef a t a l n e s s a p p r a i s e m e n t m a t h e m a t i cm o d e la f t e ri n d e x e sb e i n gq u a n t i f i e da n dt h e i rw e i g h tb e i n ge v a l u a t e d ， a n d a p p l i e dt h i sm o d e l t oc a l c u l a t ee a c h 鲥df a t a l n e s sg r a d e t h er e s u l tt e l l su s ，t h e r e a r ef i v ef a t a l n e s sg r a d e si ns t u d ya r e a t h em o s t d a n g e r o u sz o n ed i s t r i b u t ei nt h es i d e s o f p e a r lr i v e r ，t h em o r ed a n g e r o u sz o n ed i s t r i b u t ei nn o r t ho fg u a n g c o n gf a u l t ，t h e b a s i cs t a b l eg r a d ez o n ed i s t r i b u t ei nt h ew e s ta n de a s to fs t u d ya r e a t h em o s ts t a b l e g r a d ez o n ed i s t r i b u t ei nt h ep e r i p h e r yo f e a s ta n dn o r t h k e y w o r d s ：l a n ds u b s i d e n c e ；r e a s o no fd i s a s t e rf o r m a t i o n ；f a t a l n e s s a p p r a i s e m e n t ； g u a n g z h o u u 广州大学学位论文原创性声明， 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：互袍丽 日期：沙f 年6 月2e t 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： e l 期：2 秽年占月卫日 日期：撕6 , e j2 日 一晴 ，孑尹 袍多九 ，丘川y 笫一章绪论 1 立题依据 1 1 地质灾害与城市发展 第一章绪论 城市的发展不仅表现在城市人口数量、占地面积、市政服务、公共设施、教育、卫 生、信息诸多软硬环境的进步与变化，而且也表现在城市建设理念的更新与提升：人们 已意识到城市发展与人口、资源、环境之间的矛盾，意识到资源环境条件对城市可持续 发展至关重要的影响。 任何城市的建设和发展都是基于一定的地质环境和地貌条件的，城市的自然地理环 境，尤其是地质环境是一个城市建立、发展的自然基础。城市地质环境( 条件) 的质量 在一定程度上决定着城市发展的规模、前景，如纽约，因其埋藏较浅的坚固岩石地基成 就了世界最高的摩天大楼，进而成就了纽约这个世界名城；相反，威尼斯则因建在亚得 里皿海边的浅湖岛上而面临着由地面沉降诱发的被海水淹没的危机【l j 。 地质环境制约城市发展，城市化进程也影响着地质环境。人口的剧增和城市土地的 有限性，导致高密度高层建筑的出现，有些建筑超越了地基承载力；城市人口增长导致 大量市政工程的上马，如地铁、地下商场、水、电、煤气、通信管道等；饮用水、建设 用水、工业用水的增长给地下水资源开发带来巨大的压力。这些变化都给城市地质环境 造成巨大影响。随着城市建设由平面开发转向立体开发，打破了地质环境原有的平衡， 城市地质灾害问题日渐突出1 2 j ，严重影响城市可持续发展。目前，发达国家和部分发展 中国家已经把加强城市地质灾害研究列为2 1 世纪的重要工作。 1 2 城市地面沉降研究的必要性 地面沉降是地面变形地质灾害之一，主要发生在平原及三角洲地区，以城市和城区 最为严重。地面沉降在国内的4 6 个大中城市均有发现，上海、天津累计沉降量已经超 过2 米p j 。上海是我国东部沿海地区地面沉降最为严重的城市，城市地质环境恶劣( 第 四纪沉积厚达3 0 0 米，地面海拔很低) ，人口增长过快，高层建筑过密，水土资源需求 量过大，必然导致地面负荷超载，地下水资源超采，从而酿成地面沉降地质灾害。上海 的地面沉降量已达1 0 2 m m a ，致使楼基软化、墙体裂缝、工程错位、路基与地面下陷， 地下管网破坏。 上海危机警示我们：东部沿海城市的地质环境和地质灾害，特别是地面沉降灾害是 制约沿海城市发展的负面因素。地面沉降研究迫在眉睫，意义重大。 1 3 广州市地面沉降研究的意义 进入2 1 世纪，广州市主城区地面沉降灾害日趋严重，主要分布在荔湾区、天河区、 f - l ，i 火车站到广州东站一带等地f 4 1 。由于广州市地面沉降灾害现时并不十分严重，x t 对其潜在危险与危害认识不足。但广州市第四纪沉积物厚度大、分布广，工程开发由地 广卅j 市地面沉降危险性评价研究 上转为地下，工业和饮用水需水量大增，高层、超高层建筑鳞次栉比等不利地质条件和 快速城市化进程都预示着地面沉降将在f - 4 i i 市蔓延与加剧，上海危机将在广州市重现。 综上，广州市具有地面沉降形成的孕灾环境和致灾因子，承灾体脆弱性强，本研究 具有重要的理论和现实意义。同时本研究将为珠江三角洲地区如东莞、中山、珠海、南 海等地区地面沉降研究提供科学理论和方法依据；为广州市土地利用规划、社会公共安 全、环境保护和资源开发利用提供参考。 2 国内外研究现状 2 1 地质灾害研究现状 2 11国外地质灾害研究现状 地质灾害对人民生命财产和国家经济建设造成巨大损失，因而成为地质学、地理学 和环境科学关注的热点问题，同时也受到联合国、各国政府的高度重视。 1 9 9 2 年，联合国环境与发展大会( i i e d ) 通过了地球宪章、2 l 世纪议程等， 提出的可持续发展概念得到了各国政府的共识。同时全球变化的人类因素计划 ( i i t d p ) 、国际减灾十年( i d n d r ) 、全球变化计划( g c r p ) 等也相继出台，大大推 动了地质灾害理论与防治技术的研究。世界各国地质调查局在上世纪8 0 年代末到9 0 年 代初，纷纷推出新一代的国家地质填图计划，包括灾害分带图、灾害风险图和地质生态 图等，这些图件主要用于地质灾害风险评估。乌克兰、俄罗斯、美国、澳大利亚等纷纷 丌展相应研究。 5 - 9 地质灾害已经被联合国纳入“国际减灾十年计划”，也进入到一些州际或大区域的 地质灾害编图计划，如日本地质调查局组织的“东亚自然灾害编图计划”等。国际地理 科学联合会地质环境委员会目前正在编制区域性和全球性的，尤其是影响城市地区的地 质灾害目录清单。 目前，国际她质灾害研究主要有四个趋势：地质灾害数据库及灾害烬险填图；地质 灾害实时监控与定量评价及其灾害预警系统研究；注重群发或诱发的灾害系统研究；城 市走廊带，工程和交通运输走廊带的地质灾害主题填图及其监测研究。【1 0 】 随着城市化进程的加快，城市地质灾害问题日益凸显，引起城市规划和管理部门的 重视。1 9 8 6 年，亚洲太平洋经济社会委员会实施了国际性的“城市发展地质学”计划， 并于1 9 9 4 年设立了“亚太地区城市地质论坛”。1 9 9 2 年，国际地理科学联合会地质环境 委员会与国际工程地质协会和国际水文学协会一道，联合建立了“国际城市地质工作 组”，稍后不久，国际地理联合会也成立了“特大城市灾害易损性研究组”【8 1 。世界各国 也在纷纷实施城市地质灾害研究计划，如加拿大自然资源部、美国科学基金会、英国自 然环境委员会、澳大利亚等国均实施了有关的城市地质计划。目前，城市地质灾害研究 的热点与趋势主要表现在三个方面：城市主要地质灾害风险评价，城市多层地下空间开 发利用的工程地质评价，城市含水层对建筑和基础设施影响评价等。 21 2 国内城市地质灾害研究现状 我国城市地质环境与灾害研究落后于发达国家。2 0 世纪5 0 年代为城市整顿、恢复 经济、发展生产和国防安全时期，侧重于基础地质、水文地质、工程地质、洞穴地质、 军事地质、矿产地质、能源地质的研究；6 0 年代中期以后，加强了城市地震研究：7 0 第一章绪论 年代至8 0 年代为强调城市农业地质、交通、防汛、园林和考古地质研究；9 0 年代以来， 地质灾害越来越受到重视，t 9 9 2 年地矿部与国家计委制定了重点城市及地区地质灾害防 治专向计划12 0 多项，1 9 9 9 年国土资源部进行国土资源大调查，对7 0 0 个重灾县市进行 了地质灾害调查区划。国内许多高校和研究机构、工程单位都十分重视城市地质灾害的 研究，主要表现为： 地质灾害危险性评价和风险评估研究”j - 6 1 地质灾害危险性评价和风险评估的研究尚处于探讨阶段，成果主要集中在山区滑坡 危险性分析和风险评估等方面。地质灾害风险评估是最近一二十年才兴起的，是在地质 灾害危险性评价的基础上引入风险理论而发展起来的。地质灾害风险评估包括三个部 分：致灾因子危险性评价( 地质灾害可能发生的概率及规模) 、承灾体脆弱性分析和风 险评估，其中危险性评价是关键，其指标的选取、量化及评价模型的确定都直接影响到 评估的准确性和可操作性。 地质灾害危险性评价方法( 模型) 研究 1 7 - 2 0 1 地质灾害危险性定量评价方法主要有：主成分分析法1 2 0 1 、信息量法1 1 、模糊数学方 法 17 ”l 等。范文等通过建立多级指标体系，应用主成分分析法对某高速公路沿线地质灾 害危险性进行分段综合评价，较好地进行了地质灾害分区。阮沈勇等将信息量模型与g i s 系统结合，充分利用g i s 强大的空间图形和属性数据管理功能，实现对地质灾害数据的 分层管理，开发地质灾害危险性区划模块，进行地质灾害危险性区划。闫满存、杨建军 等利用在选定地质灾害危险性评价指标体系后，应用模糊数学方法对其建模，克服了传 统二值集合( 0 ，1 的缺陷，将普通二值集合( 0 ，1 ) 变为区间上连续分布的模糊集合 0 ， 1 。这样模糊集合的特征函数( 隶属函数) ，其函数值( 隶属度) 就可以在( 0 ，i 区间 内连续取值，从而满足地质灾害危险性评价因素不确定性的需求。 区域地质灾害危险性研究方面的成果： 黄爱国，罗国煜等f 2 1 2 2 】对南京市环境地质问题进行研究；周翠英等【2 3 i 对珠江三角 洲快速城市化过程中的环境地质问题做了探讨：闰满存、朱照宇等对广东沿海陆地地质 环境及环境地质灾害进行了系统研究【2 4 。”，所有的研究成果都得出一个共同的结论，大 城市在城市化过程中都面临着环境地质问题，沿海城市由于其特殊的自然地理环境和高 强度的人类社会活动，地质灾害尤为严重。地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、地震等灾害 以及地壳不稳定是城市发展过程中经常面临的地质灾害。 2 2 城市地面沉降研究现状 地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面 标高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是地质环境 系统破坏的恶果【2 7 。 地面沉降最早是1 8 9 8 年在日本新泻地区发现的，至今全球已有5 0 多个地区发现地 面沉降灾害。进入2 1 世纪，地面沉降日趋严重，已经引起世界各国政府尤其是沿海城 市的关注，也引起学术界高度重视，形成些代表性成果( 表1 1 ) 。 广卅i 大学硕士论文 广州市地面沉降危险性评价研究 表1 1 地面沉降代表性成果一览汞 一一一 ! ! ! ! ：! 曼观i ! 生i ! ! ! 翌! ! ! ! ! ! 磐! 罂! ! i ! ! 曼! ! 年代作者或单位 国籍】 代表性成果 1 9 3 6 年j a g u e v a s 墨1论文：墨西哥的地面沉降 国1 9 5 6 年p o l a n dj f 美】论述了出于开采地下水引起的地面沉降 雾 。s s 年宫布直己c 日， 豢喜蓑蓑晋? 器瞥；交夷萋蠹了地面沉降不单 蠢 1 9 6 4 年闩本资源调查会 望亲竺面沉降由强烈抽汲地下水引起完全是人 状。p o l a n d j f论文：由于抽汲地下流体而引起的地面沉降 ly o y 平 g h d a v i s 1 9 7 5 年h e l m d c 美提出预测地面沉降的问题 t ，s 。年p 。，a n d j f c 美，黑彗鋈茬磊奢要掣彗，霁震雾竺磊蠢冀霎靶， 1 9 9 1 年 l e a k e s l a 【美】篓：次提出模拟区域地下水流模型的垂直压密新 美国地质调查局的g l b e r t o l d i 认为地面沉降是由于地下支撑物的移动导致的地面 标高损失。地下支撑物指所有对地面物质构成支撑的物质，如第四纪沉积土体，地下孔 隙承压水等；地面标高作为一个地理要素的同时也是一种资源，尤其是在沿海低地平原 区，地面标高的损失将影响城市的可持续发展。而沿海低地平原一般又是地区或国家人 口最为集中、经济最为发达的地区，地面沉降造成的地面标高损失直接威胁沿海地区城 市生存与发展【2 8 1 。 目前有关城市地面沉降的研究主要围绕以下几个方面展开： 用有效应力原理来解释由于抽汲地下流体引起的地面沉降，并根据土体性质差 异将地面沉降地质模式概括为冲积平原模式、三角洲平原模式和断陷贫地模式【2 9 。3 3 】三种 模式； 土体微结构要素变化入手研究地面沉降。其基本思路是：以地质成果为基础， 以粘性土微结构要素的定量提取与量化表示为突破点，在应用分形理论解决结构要素量 化问题基础上，系统、深入地探讨粘性土微结构定量特性及其与主要工程地质性质的制 约关系，分析压力环境中微结构变化规律及其对土的工程性状的影响【3 4 ” ： 用孔隙水的运移来阐述地面沉降问题，这是地面沉降的本质所在，国内学者在 这方面进行了深入研究。张忠胤于1 9 6 3 年最早提出这一问题，王大纯、张人权( 1 9 8 1 年) ，在研究孔隙承压水资源评价和地面沉降关系时，从宏观上探讨了地下水开采条件 下，粘性土层释水、吸水阶段水量随时间的变化规律，以及影响“越流滞后时间”的各 种因素等问题；进入9 0 年代，孔隙水问题的研究从均质体研究方向向非均质体方向发 展，长春地质学院和中国地质大学在这个领域取得了丰硕的研究成果【2 23 8 “。 综上，地面沉降研究主要集中在从测量学、力学和土木工程学方面对地面沉降进行 4 兰= 童堑堡一 微观研究，而很少从自然灾害学的角度宏观地探讨城市地面沉降的形成机制、寻找地面 沉降的主控因子和诱发因子、总结地面沉降的特征和时空分布规律，进而进行区域地面 沉降危险性评价的研究。本文力图在这个方面有所突破。 3 基本内容及创新之处 3 ，1 研究目标 研究广州市地面沉降地质灾害的形成原因、时空分布与成灾机制； 借助g i s 技术，利用模糊数学层次分析方法进行广州市地面沉降危险性分析，探 讨其预警预测问题。 3 2 研究内容 地面沉降基础理论研究，提出基予自然灾害学理论的地面沉降成灾机制； 广州市地面沉降孕灾环境、致灾因子和承灾体特征； 广州市地面沉降成灾机制及时空分布特征； 构建地面沉降危险性评价指标体系及数学模型； 构建地面沉降危险性评价信息数据库； 计算并划分广州市地面沉降危险性等级。 3 3 创新之处 地面沉降成灾机制探讨，提出基于自然灾害学基本理论的地面沉降成灾机制 建立地面沉降危险性评价指标体系与数学模型； 将模型应用于广州市，进行地面沉降危险性评价研究。 4 研究方法及技术路线 本文的研究方法与技术路线见图卜l ，具体可分解为如下步骤。 典型研究区的选择和资料的收集 根据典型性、代表性和实用性原则，选择广州市主城区作为研究区，收集相关的基 础图件和地质背景资料。 研究区地面沉降现状研究 收集研究区已经发生的地面沉降灾害，分析其时空分布特征和成灾原因。 地面沉降危险性评价指标体系的确立 文章根据实际调研资料，探讨研究区地面沉降孕灾环境和主要致灾因子，在此基础 上确定研究区地面沉降危险性评价指标体系及各评价因子等级划分的相关标准，并 采用专家打分法确定每个评价指标的权重。 建立基于g i s 的数据库 根据资料收集的结果，应用a r c ( ；i s 9 0 将基础纸质地图数字化，从中提取相关的指 标信息，建立基于单个评价指标的空间数据库；将有关的统计数据、文字和图片等 广州市地面沉降危险性评价1 i | = 究 资料分类录入，建立属性数据库；实现空问数据与属性数据的相互关联。 地面沉降危险性评价数学模型的建立 文章应用基于模糊数学理论的模糊层次分析法，建立地面沉降危险性评价模型。 模型的实证检验 将地面沉降危险性评价模型应用于广州市主城区进行实证检验，如果有较好的评价 效果则采用该评价分析模型；如果评价效果不好，则对该分析评价模型调整、订正， 直到有较好的结果为止。 图卜1 技术路线流程图 f i g1 1 f l o wc h a r tf o r s t u d yw a y 第二章地丽沉降的基率理论 第二章地面沉降的基本理论 1 地面沉降的概念 学术界关于地面沉降的概念还未完全绞一1 4 3 - 5 5 ，概括起来有如下几秘提法： 地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标 高降低的一种环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是地质环 境系统破坏所导致的恶果( 郑铣鑫，2 0 0 2 ) 。 地面沉降是在自然因素或( 和) 人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致地 面标高损失的种环境地质现象。自然因素包括构造下沉、地震、火山活动、气候 变化、地应力变化以及土体自然固结等；人为囡素指开采地下流体资源( 油、气、 水) ，开采地下固体资矿产( 金属矿、煤、盐岩等) 。 地面沉降是一种缓慢发生的隐伏性地质灾害，表现为区域性整体向下的垂直运动， 同时伴随着一定的水平位移和产生局部地面裂缝；具有成生缓慢、持续时间长、影 响范围广、成因机制复杂等特点。 美国地质调查局的g l b e r t o l d i 先生对地面沉降概念的精辟概括：地面沉降是由于地 下支撑物( s u b s u r f a c es u p p o r t ) 的移动导致的地面标高损失( 1 0 s so f s u r f a c ee l e v a t i o n ) 。 地下支撑物指所有对地面物质构成支撑的物质，如第四纪沉积土体，地下孔隙承压 水等：地面标高作为一个地理要素的同时也是种资源，尤其是在沿海低地平原区， 地面标高的损失将影响城市的可持续发展。而沿海低地平原一般又是地区或国家人 口最为集中、经济最为发达的地区，地面沉降造成的地面标高损失直接威胁沿海地 区城市生存与发展”。 本文认为地面沉降是在一定的孕灾环境( 包括自然地理环境、基础地质环境和人类 社会活动等) 下，在某些致灾因子( 包括过量开采地下流体、采矿、工程活动等) 的诱 发下，作用于一定的承灾体( 如沿海城市) ，地面标高降低，造成严重的经济损失和人 员伤亡的一种环境地质灾害。 2 地面沉降的分类 地面沉降按照形成原因可分为3 类： 第一类是构造沉降，它是由于近期仍在活动的构造运动产生的地面沉降，这种沉降 是大范围的、持续的。 第二类是加荷沉降，它是由于地上、地下工程建设，局部载荷增加，破坏了地层的 力学平衡，在附加应力作用下产生一定量的压缩沉降，简称固结沉降。这种沉降是局部 的，沉降有一定的限度，会逐渐趋于稳定。 第三类是开采地下流体( 如水、石油等) 和地下矿产产生的地面沉降。这种沉降是 持续性的，沉降范围取决于开采所涉及的区域，只要开采继续，沉降就不会停止。 3 地面沉降的形成机制 地面沉降形成原因目前有四种被大家所公认。 “州人学硕上论文 广州市地面沉降危险性评价研究 构造沉降说： 新构造运动引发的地面差异性升降运动是地面沉降的一个重要因素，在新构造运动 表现为绝对沉降和相对沉降的区域里都孕育着地面沉降地质灾害。虽然地面沉降过程缓 慢，人们短时间内不能感受到它的影响，但沉降量的累积的后果是令人惊讶的。 收缩压密说： 任何地面建筑都是以一定的地壳表层土体为基础的，覆盖着大面积的第四纪松散沉 积物的地壳表层成为建筑物地基的持力层，在建筑物载荷的重压下，地壳表层松散土体 收缩压密，固结成岩。伴随着松散表土自然收缩压密，地面标高也在不知不觉中损失。 大规模的土木工程造成地表载荷变化破坏了地表土体的力学平衡，地表松散物质压密收 缩，也导致地面沉降。 释水压密说： 抽汲地下水引起的地面沉降大多发生在大量丌采第四系松散沉积物孔隙承压水的 地区。其机制是：饱和土体的自重应力由颗粒和孔隙水共同承担，当抽取地下水引起承 压水水位下降时，含水层本身及隔水层中的孔隙水压力也随之降低。土体孔隙因此被压 密而导致地面沉降。 相对沉降说： 地面沉降以地面标高的损失为特征。全球气候变暖导致海平面上升将降低沿海城市 的海拔，造成地面标高的相对损失，其后果表现为地面的相对沉降。 4 从自然灾害学角度研究地面沉降 目前学者对地面沉降的研究集中在水体动力学模型和土体力学模型及以地面沉降 精密监测数据为基础的数值模拟，还没有人从自然灾害学的角度进行研究。地面沉降的 产生是在一定的孕灾环境下中，在致灾因子的诱发下，作用于一定的承灾体，造成一定 的经济损失才导致灾害的。因此，应用自然灾害学的基本原理，探讨地面沉降的形成机 制，从宏观上把握其特征和分布规律，是对微观、局部地面监测研究的有益补充。 孕灾环境是指孕育灾害产生的自然地理环境与人文社会环境。不同的孕灾环境孕育 自不同的然灾害，孕灾环境是自然灾害产生的必要条件。地面沉降的孕灾环境可以从以 下3 个方面来考虑：第一，自然地理环境：地面沉降多发生在河流三角洲、冲( 洪) 积 平原、断陷盆地和沿海平原等地质地貌单元，这些地区地势平坦、海拔较低、第四系松 散沉积厚度大、地下水丰富且以孔隙水为主；第二，地质环境：地面沉降多发生在新构 造运动表现为差异性升降运动的区域。地壳相对下沉区域接受巨厚第四纪松散沉积物， 这些沉积物以砂土、粉砂土、粘性土等土体为主。这样的土体结构为地下水的赋存提供 了良好的储存空剧，这种地下水类型为松散孔隙水。这类地下水埋藏浅、富水性好，易 于开采，成为当地的主要水源，过量开采地下水为地面沉降的发生埋下祸根：另外，若 地下蕴藏着煤、石油和天然气等矿产资源时，也会由于流体或矿产资源的开采，使得地 下采空区广布，地面架空而发生地面沉降。海陆交互相沉积积淀了大量的淤泥、砂土和 粘土，当砂土液化流失时，上层的淤泥或粘土就可能发生沉降；淤泥含水量大，当上层 建筑物载荷过重时，淤泥中的水分被缓慢析出，地面发生沉降；第三，人类社会经济环 境：地面沉降多发生在沿海平原的大城市，沿海城市人i z i 集中、经济密度大，n - ! l k 用水 和生活用水量大，地下水超采成为地面沉降的重要导火线；在某些地下矿产丰富的城市， 如大同、太原等则由于超采地下煤层造成地面架空而导致地面沉降；过于密集的高层、 超高层建筑和过多的地上、地下工程产生的压力也是地面沉降产生的新原因。 第一章地面沉降的基奉理论 致灾因子是自然灾害的诱发因素，包括自然致灾因子和人为致灾因子。致灾因子是 自然灾害发生的充要条件。地面沉降的致灾因子主要有：新构造运动、地面动静载荷变 化、过量开采地下流体、过量开采地下矿产、区域性海平面上升、地震引起砂土液化、 软土地基形变等。新构造运动主要表现为差异性升降运动，在构造沉降区和相对沉降区， 表现为地面沉降；地面动静载荷变化主要表现为由于地表和地下施工破坏了地表岩土体 力学平衡，进而导致地面沉降；烈度小于的地震虽然不会引起地表的强烈震动，却可 以导致地下砂土液化，造成砂土流失，进而导致地面沉降；软土地基由于多为淤泥质软 土，含水量多在8 0 左右，所以当地面载荷增加到超越地基有效承载力时，软土就会将 水排出，发生永久性地面变形；区域性海平面上升从另外一个角度加快了地面标高损失 的速度，导致地面相对沉降；人类活动，如城市建设、地下工程、疏干排水等都可导致 地面沉降，特别是过量开采地下流体，如地下水、油罔、天然气等，使得含流体层流体 被开采后，土体有效应力增加而导致地面沉降；过量开采地下矿产也是如此，破坏了地 壳表层土体的力学平衡，进而导致地面缓慢沉降或地面坍塌。 承灾体是各种致灾因子作用的对象，是人类及其活动所在的社会与各种资源的集合。 没有承灾体就没有灾害作用的对象，也就没有经济和人员损失，没有损失就不构成灾害。 所以，承灾体的特征决定灾害的危险性程度，承灾体经济越发达、人口越集中，其脆弱 性就越强，遭遇灾害的风险就越大。 地面沉降多发生在沿海城市，承灾体具有人口密集、经济发达、市政设施齐全、交 通线路纵横交错、地下管网密布等特征，这些特征都决定了地面沉降承灾体非常脆弱， 即遭遇灾害的风险大。长三角地区地面沉降经济损失近3 5 0 0 亿元，其中上海约2 9 0 0 多 亿。 由以上分析可以看出，孕灾环境、致灾因子和承灾体的相互作用共同决定着地面沉 降的最终特征、时空分布规律、危险性及风险性。因此，在地面沉降灾害的形成过程中， 三者缺一不可。因此，地面沉降是孕灾环境、致灾因子与承灾体时空耦合的综合效应。 地面沉降一旦发生，还可能引发一系列灾害问题，形成灾害链，如地面沉降可导致 房屋丌裂、管网上举、横移等，扰动浅部市政工程( 道路、输排水管、电缆) ，剪断、 扭歪管道；淤泥层疏干时，因排水压密，导致地基失稳；地面沉降导致的地面标高损失 与海平面上升耦合增加了海水入侵的危险性，淡水咸化进而引起水质性缺水等等。 5 本章小结 文章介绍了地面沉降的三种类型：构造沉降、加荷沉降和由于抽汲地下流体引起的 沉降，四种成灾机制：构造沉降说、收缩压密说、释水压密说、相对沉降说，最后从自 然灾害学原理出发，分析了地面沉降的孕灾环境、致灾因子、承灾体，得出地面沉降的 成灾机制是三者综合作用的结果。 广4 - i l 大学碗j 一论文 广州市地面沉蜂危险性评价研究 第三章广州市地面沉降成灾机制 广州地势东北高、西南低，北和东北部是山区，中部是丘陵、台地，南部是珠江三 角洲冲积平原。东江、北江、西江在此汇流入海，珠江穿市而过。它是我国著名的沿海 城市，全国最大的交通、旅游、金融、贸易和文化中心之一，主导产业为金融、旅游、 贸易等第三产业以及轻工业在改革开放春风的沐浴下，广州市经济得到长足的发展，进 入2 1 世纪，随着中国加入世贸组织，广州的经济发展将再步新高，人类社会活动将更 强烈，地质灾害将日趋严重。 1 主要地质灾害 1 1 主要类型及危害 地震 地震是影响城市可持续发展的最严重的地质灾害。广从和广三两大活动断层在广州 交汇，使得广州成为潜在震源。历史上，广州市曾经分别在1 3 7 2 年、1 8 2 4 年和1 9 1 5 年发生过3 次4 8 级以上地震，震中烈度均为级。最近几十年广州只发生过几次3 级 左右的小震。目前地震对建筑物的损坏并不严重，但可使地下的砂土液化，引起地面沉 降和塌陷。 此外，广州市周边的河源、英德和阳江是广东省现在活跃的三个大震中心，这些地 区的地震余波将影响到广州。如1 9 6 2 年河源发生6 1 级地震，广州地区均受到v 一 级的震害。 坡面地质灾害 崩塌、滑坡、泥石流是广州市最为多见的坡面地质灾害，主要发生于北部和东北部 低山丘陵区。强烈风化作用于破碎地表为其提供物质基础，重力、暴雨、洪流为其提供 了动力条件，工程施工、开挖边坡、植被破坏等人类活动为其提供了触发与诱导因素。 三者叠加作用，常能酿成严重的崩、滑、流灾害。例如滑坡常常表现为沿风化土与强风 化岩石的界面滑落。暴雨过后，块体处于饱水状态，自重增加，抗滑能力降低，在地下 水渗流的诱导下，失去平衡而滑落。 1 9 9 4 2 0 0 3 年，广州市共发生崩塌、滑坡、泥石流近3 0 宗，直接经济损失近l o 亿元。广州市的崩、滑、流灾害常互为条件与因果，相互诱发与加强。1 9 9 7 年5 月8 日，从化市螯头镇爆发了面积为6 6 6 k e 的泥石流，伴随着滑坡、崩塌等地质灾害1 0 0 多处，房屋倒塌6 0 0 0 多间，7 5 0 0 人无家可归，3 5 k m 长的公路及3 0 座桥梁、涵洞受损， 6 0 k m 河堤被毁，1 8 万亩农田被泥、砂、石覆盖，死亡6 2 人，失踪1 0 人，受伤1 5 0 人， 直接经济损失3 5 亿元。与此同时，花都梯面镇，爆发了滑坡、泥石流，房屋倒塌1 0 7 0 问，4 0 0 0 多亩农田被毁，死亡1 6 人，受伤2 5 6 人，经济损失1 2 亿元。这两起同时爆 发的崩、滑、流灾害都发生在坡面破碎、坡地陡峭、风化严重、工程建设项目较多的地 区，在暴雨触动下酿成巨灾。 地面变形 第三章广州i 市地面沉降成灾机制 地面变形包括地面塌陷、地面沉降和地面裂缝三种主要类型。 地面塌陷主要分布在广花盆地，受岩性、构造、岩溶发育状况、上覆岩层载荷、水 动力与溶蚀条件等因素的制约。一般丰水期，地下水水位上升、流速加大，溶蚀作用强 烈，溶洞塌顶较为常见；丰水期后，地下水位下降，溶洞顶板在重力作用下，也可形成 塌陷。大量开采地下水和地表强烈的震动也能诱发地面塌陷，在广花盆地的几个水源地， 在最近1 0 年的勘探和开采中，先后发生塌陷1 4 6 处。地面沉降主要见于低地平原，是 由于过度抽取地下水所致。据研究，广州市目前地面沉降速度为1 5 m m a 。地裂缝常 与地面塌陷和沉降相伴生，也可单独出现在膨胀土发育的地区，主要表现为路( 街) 裂 缝、地基裂缝和墙体开裂等。大多数情况下，地面裂缝主要由人类工程建设震动和过度 抽取地下水诱发。 1 9 9 6 年1 i 月9 日凌晨1 时，广州市华贵路1 2 2 1 3 8 号约5 0 米的地段发生地面塌陷， 房屋墙裂，地面下沉总深1 4 6 m m ，9 幢2 层楼宇出现不同程度破坏，经济损失达4 0 0 万 元，原因是该处士体为流塑态的饱和状淤泥，砂层极其松软，地铁施工掘进，表土失稳， 导致地面形变。2 0 0 0 年6 月2 9r ，广州市花都区赤坭镇竹洞村，由于附近采石场大量 抽取地下水造成3 0 0 多处塌陷，几r 幢楼房发生房裂，经济损失5 0 0 万元。2 0 0 0 年8 月2 5 日，天河区林和乡大门外，由于在其附近开挖基坑造成长达5 0 米的地裂缝，直接 经济损失5 0 万元。 道路地质灾害 广9 1 1 是华南地区的交通枢纽，铁路、公路四通八达，地铁线贯穿全市大部分地区。 近年来，道路交通地质灾害时有发生，主要表现为路面裂缝、路基垮塌、软土沉降、桥 台滑移、地铁洞壁渗水与塌方，边坡崩塌与滑坡等。道路交通地质灾害常常阻断交通， 造成严重的经济损失和社会影响。 如2 0 0 0 年6 月1 1 日，从化良口镇1 0 5 国道k 2 4 5 8 k m 处暴雨导致发生滑坡体为4 万 m 3 滑坡，与此同时，从化良h 至佛岗3 5 4 省道也因暴雨爆发泥石流，道路交通因此而中 断，经济损失达1 1 5 0 万元。广州市区内多处地下岩溶区由于载荷过重或人工抽取地下 水导致公路路基塌陷或地基沉降，给市内交通带来了严重的障碍，如2 0 0 1 年7 月1 日， 广州火车站到广州火车东站铁路的地基沉降，六二三马路、黄埔大道冼村等市内交通干 线的地面塌陷都严重影晌了正常的市内交通秩序，造成严重的经济和社会影响。 水土流失 改革开放以来，广州市建设项目与日俱增，土地利用率增高，植被覆盖率降低，水 土流失曰趋严重。工程建设需要开挖边坡，必要时需破坏植被，同时工程废弃物乱堆乱 放，必然孕育严重的水土流失。 2 0 0 0 年1 月2 9 同，广州市花都区北兴镇，由于修建高速公路，沿路边坡植被破坏， 酿成水土流失，直接经济损失逾1 0 0 0 万元。 1 2 成因与分布 ( 1 ) 基本特点 广州市地质灾害具有隐伏性、突发性、群发性、易损性和人为性的特点。崩塌、滑 坡和泥石流是由工程活动和暴雨诱发的突发性坡面地质灾害，地面塌陷、地面沉降和她 广卅i 大学硕士论文 广州市地面沉降危险性评价研究 裂缝是过量抽取地f 水发生在地面以下一定深度的隐伏性地质灾害。这些灾害都不是孤 立的，能形成一定的灾害链，与高度发达的经济和完善的地上地下网络系统相耦合，必 然放大灾害的破坏效益。 ( 2 ) 成因分析 广州市城市环境地质灾害是孕灾环境、致灾冈子和承灾体共同作用结果，地质灾害 的危害程度取决于灾情的大小。 广州市地质灾害的孕灾环境复杂。从自然方面来看，构造区内活动断裂纵横交错是 地质灾害发生的构造基础：低山丘陵地形和以石灰岩为主的岩溶地层是地质灾害发生的 物质条件；区内降水丰沛，水系发育，径流量大为地质灾害提供了动力条件，暴雨、洪 水则是大多数地质灾害频发的诱导因素。从人类活动来看，人口的急剧增长加速了城市 建设的步伐，加大了对自然资源的消费量，如过量抽取地下水、人工开挖高陡边坡、施 工震动、植被破坏等，增加了地质环境的压力，破坏了地质环境稳定性，因此人类活动 也是重要的致灾因子。 ( 3 ) 时间分布 图3 - 1 广州市地质灾害年际分布规律图 “9 3 - 1 d i s a s t e rd i s t r i b u t i o nb e t w e e ny e a r s 图3 - 2 广州市地质灾害年内分布规律图 f i 9 3 - 2 d i s a s t e rd i s t r i b u t i o nb e t w e e nm o n t h s 图3 1 和图3 2 揭示了广州市环境地质灾害的时间分布特点。过去十年呈明显的波 浪状上升趋势，1 9 9 6 1 9 9 8 年为第一个多发期，2 0 0 0 2 0 0 2 年为第二个多发期，而且数 量更多，灾种更复杂，频率更高。这两个时段均为厄尔尼诺多发期，气候异常，多暴雨 和洪水，易于诱发地质灾害。2 0